CN114551779A - 电极的制造方法和电极浆料涂覆装置 - Google Patents

电极的制造方法和电极浆料涂覆装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供包括电极浆料的涂覆和干燥并能够高度地抑制活性物质层的单位面积量的变动的电极的制造方法和电极浆料涂覆装置。这里公开的电极的制造方法包含通过模具将电极浆料涂覆于集电箔上的工序、和将上述所涂覆的电极浆料干燥的工序。这里，通过支承辊搬运上述集电箔。测定上述所涂覆的电极浆料的厚度与宽度的至少任意一个的变动。根据上述变动的测定结果，使上述支承辊的圆周速度以上述变动变小的方式变化。

Description

电极的制造方法和电极浆料涂覆装置
技术领域
本发明涉及包括将电极浆料经由模具涂覆于集电箔的电极的制造方法。本发明还涉及适合于该制造方法的实施的电极浆料涂覆装置。
背景技术
近年，锂离子二次电池等二次电池适用于个人计算机、移动终端等的便携式电源、电动汽车(EV)、混合动力汽车(HV)、插电式混合动力汽车(PHV)等的车辆驱动用电源等。
作为二次电池，特别是作为锂离子二次电池的电极，一般来说，使用有在集电箔上设置有含有活性物质的活性物质层的电极。一般来说，通过将含有活性物质的电极浆料涂覆于集电箔上，并使该涂覆的电极浆料干燥来形成活性物质层，从而制造这样的电极。
在这样的制造方法中，在专利文献1中提出有：为了使活性物质层的单位面积量均匀化而通过非破坏测定监视所涂覆的电极浆料的粘度和涂覆干燥后的干燥状态的涂覆膜厚或者单位面积量，基于所监视的浆料粘度来求出表示辊涂机的涂覆间隙量与干燥状态的涂覆膜厚或者单位面积量的关系的收缩率，并基于该收缩率和干燥状态的涂覆膜厚或者单位面积量的监视值来决定涂覆间隙量，通过干燥状态的涂覆膜厚或者单位面积量和涂覆间隙量的反馈控制来进行涂覆。
专利文献1：日本专利申请公开第2000-353515号公报
现有技术根据干燥状态的涂覆膜厚或者单位面积量来反馈控制涂覆机的涂覆间隙量(μm)，欲使活性物质层的单位面积量均匀化。然而，本发明人们专心研究的结果是发现了以下情况，即，在现有技术中，通过反馈控制涂覆间隙量，能够一定程度抑制活性物质层的单位面积量的变动，但对于该单位面积量的变动的抑制，尚有改善的余地。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种包括电极浆料的涂覆和干燥并且能够高度地抑制活性物质层的单位面积量的变动的电极的制造方法。
这里公开的电极的制造方法包含将电极浆料从模具涂覆于集电箔上的工序、和将上述所涂覆的电极浆料干燥的工序。这里，通过支承辊搬运上述集电箔。测定上述所涂覆的电极浆料的厚度与宽度的至少任意一个的变动。根据上述变动的测定结果，使上述支承辊的圆周速度以上述变动变小的方式变化。根据这样的构成，能够提供高度地抑制活性物质层的单位面积量的变动的电极的制造方法。
在这里公开的电极的制造方法的优选的一个形态的基础上，上述被测定的变动是由支承辊引起的。根据这样的构成，能够高度地抑制由支承辊引起的单位面积量的变动。
在这里公开的电极的制造方法的优选的一个形态的基础上，使上述支承辊的圆周速度基于下式(2)来变化。根据这样的构成，能够更高高度地抑制单位面积量的变动。VBR＝VBR_const×{1－(W(x)/Wave－1)}···(2)，VBR：支承辊的圆周速度，VBR_const：支承辊的圆周速度的设定值，W(x)：在涂覆距离x的涂覆宽度、或者在时间x的涂覆宽度，Wave：涂覆宽度的平均值。
在这里公开的电极的制造方法的优选的一个形态的基础上，使上述支承辊的圆周速度基于下式(3)来变化。根据这样的构成，能够更高高度地抑制单位面积量的变动。VBR＝VBR_const×{D(x’)/Dave)}···(3)，VBR：支承辊的圆周速度，VBR_const：支承辊的圆周速度的设定值，D(x’)：在涂覆距离x’的涂覆厚度、或者在时间x’的涂覆厚度，Dave：涂覆厚度的平均值。
另一方面，这里公开的电极浆料涂覆装置具备：模具涂覆部，构成为向集电箔涂覆电极浆料；支承辊，构成为搬运上述集电箔；测定部，构成为测定所涂覆的电极浆料的厚度与宽度的至少任意一个的变动；以及控制部，构成为控制支承辊的圆周速度。该电极浆料涂覆装置构成为：根据上述变动的测定结果，使上述支承辊的圆周速度以上述变动变小的方式变化。通过使用该涂覆装置来制造电极，能够高度地抑制单位面积量的变动。
附图说明
图1是用于对本发明的一个实施方式所涉及的电极的制造方法进行说明的示意图。
图2是表示在连续地进行了电极浆料的涂覆时产生的一般的单位面积量的变动的一个例子的曲线图。
图3的(a)是从与主面垂直的方向观察涂覆有电极浆料的集电箔的情况下的示意图，图3的(b)是单位面积量较大的部分的线I-I处的剖视图，图3的(c)是单位面积量较小的部分的线II-II处的剖视图。
图4是表示支承辊的圆周速度一定的情况下的相对于涂覆距离的电极浆料的宽度的曲线图。
图5是将式(2)曲线化后的图。
图6是表示进行支承辊的圆周速度的控制的实验中的涂覆宽度相对于涂覆距离的变化的曲线图。
图7是表示上述实验中的涂覆距离为35m～45m的区间的活性物质层的单位面积量的曲线图。
图8是表示上述实验中的涂覆距离为65m～75m的区间的活性物质层的单位面积量的曲线图。
附图标记说明
10…模具涂覆部；20…支承辊；30…测定部；40…控制部；50…干燥机；60…集电箔；70…电极浆料；100…电极浆料涂覆装置。
具体实施方式
以下，边参照附图边对本发明所涉及的实施方式进行说明。此外，未在本说明书中提及并且本发明的实施所需的事项可视为本领域中的基于现有技术的本领域技术人员的设计事项。本发明能够基于在本说明书中公开的内容和该领域中的技术常识来实施。另外，在以下的附图中，对起到相同的作用的部件·部位标注相同的附图标记来说明。另外，各附图中的尺寸关系(长度、宽度、厚度等)并不反映实际的尺寸关系。
本实施方式所涉及的电极的制造方法包含从模具将电极浆料涂覆于集电箔上的工序(以下，也称为“涂覆工序”)、和将该所涂覆的电极浆料干燥的工序(以下，也称为“干燥工序”)。这里，通过支承辊来搬运该集电箔。测定该涂覆的电极浆料的厚度与宽度的至少任意一个的变动。根据该变动的测定结果，使该支承辊的圆周速度以该变动变小的方式变化。
首先，对涂覆工序进行说明。用于涂覆工序的电极浆料含有活性物质和溶剂(分散介质)。电极浆料的构成可以与用于包含电极浆料的涂覆和干燥的公知的电极的制造方法的电极浆料相同。以下对将电极浆料用于锂离子二次电池的制造的例子进行说明。
在电极浆料是锂离子二次电池用的正极浆料的情况下，正极浆料含有正极活性物质和溶剂。作为正极活性物质，例如能够举出锂过渡金属氧化物(例如，LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNiO2、LiCoO2、LiFeO2、LiMn2O4、LiNi0.8Co0.15Al0.5O2、LiNi0.5Mn1.5O4等)、锂过渡金属磷酸化合物(LiFePO4等)等。作为溶剂，例如能够举出N－甲基吡咯烷酮(NMP)等。
正极浆料也可以还含有导电材料、粘合剂等。作为导电材料，例如能够举出乙炔黑(AB)等炭黑、其他(石墨等)的碳材料等。作为粘合剂，例如能够举出聚偏二氟乙烯(PVDF)等。
正极浆料中的各成分的含量和正极浆料的固体成分浓度可以与公知的锂离子二次电池用的正极浆料相同。
在电极浆料是锂离子二次电池用的负极浆料的情况下，负极浆料含有负极活性物质和溶剂。作为负极活性物质，例如能够举出黑铅、硬碳、软碳等碳材料。作为溶剂，例如能够举出水等。
负极浆料也可以还含有粘合剂、增粘剂等。作为粘合剂，例如能够举出苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)等。作为增粘剂，例如能够举出羧甲基纤维素(CMC)等。
负极浆料中的各成分的含量和负极浆料的固体成分浓度可以与公知的锂离子二次电池用的负极浆料相同。
此外，在本说明书中，“浆料”是指固体成分的至少一部分分散后的分散液，因而“浆料”包含“糊状料”、“墨状料”等。
作为用于涂覆工序的集电箔，能够使用公知的锂离子二次电池用的集电箔。具体而言，使用金属箔等。在制造正极的情况下，作为集电箔，铝箔适合。在制造负极的情况下，作为集电箔，铜箔适合。
集电箔的厚度并不特别地限定，例如是5μm以上35μm以下，优选为7μm以上20μm以下。
使用图1对涂覆工序的具体的操作进行说明。图1是用于对本实施方式所涉及的电极的制造方法进行说明的示意图。图1所示的电极浆料涂覆装置100是适合于实施涂覆工序的电极浆料涂覆装置。此外，用于实施涂覆工序的电极浆料涂覆装置并不局限于图1所示的装置。
图1所示的电极浆料涂覆装置100具备：模具涂覆部10，构成为向集电箔60涂覆电极浆料70；支承辊20，构成为搬运集电箔60；测定部30，构成为测定所涂覆的电极浆料70的厚度和宽度的至少任意一个；以及控制部，构成为控制支承辊20的圆周速度。此外，集电箔60和电极浆料70不是电极浆料涂覆装置100的构成部件。
模具涂覆部10构成为从模具的排出口排出电极浆料70。模具涂覆部10的具体的构成可以与通常的模具涂覆机相同。例如，模具涂覆部10由具备排出口的模具、和构成为使该模具的位置移动的模具驱动机构构成。在模具涂覆部10连接有电极浆料供给系统(未图示)。
支承辊20构成为搬运集电箔60。支承辊20的具体的结构可以与用于通常的模具涂覆的支承辊相同。如图1所示，支承辊20典型地配置于模具涂覆机10的模具的排出口的下部。然而，只要能够获得基于本实施方式的单位面积量的变动减少效果，支承辊20的位置就不局限于此。优选支承辊20配置于模具涂覆机10的模具的排出口的附近。
测定部30测定所涂覆的电极浆料70的厚度(即涂覆厚度)与宽度(即涂覆宽度)的至少任意一个。能够将用于涂覆厚度或者涂覆宽度的测定的公知的测定器用于测定部30。测定器可以是接触式，也可以是非接触式，但优选是非接触式的测定器(例如激光位移计)。
控制部40以接受测定部30中的测定结果的方式与测定部30有线或者无线地连接。另外，控制部40以能够控制支承辊20的圆周速度等的方式与支承辊20有线或者无线地连接。如图示例那样，控制部40也可以与模具涂覆部10有线或者无线地连接，使得能够调整模具涂覆部10的位置(特别是间隙量)。控制部40由计算机构成。该计算机也可以具备CPU、储存有用于进行后述的控制的程序的ROM、RAM等。然而，只要能够进行后述的控制，控制部40的构成就不局限于此。
通过由支承辊20搬运集电箔60，并且通过模具涂覆部10将电极浆料70排出至集电箔60上，从而能够进行涂覆。
在涂覆时，能够通过模具涂覆部10与支承辊20的距离(即间隙量)来控制涂覆厚度。在图1中，该间隙量作为尺寸G来表示。涂覆厚度根据该间隙量G和集电箔60的厚度来确定。
这里，一般来说，若连续地进行电极浆料的涂覆，则如图2所示的例子那样，电极浆料的单位面积量变动。另外，活性物质层的单位面积量是电极浆料的干燥后的单位面积量，因此活性物质层的单位面积量也相同地进行变动。在图2中用V1表示的较大的变动是由浆料粘度的变化等引起的，如现有技术那样，能够通过反馈控制间隙量G来抑制。另一方面，用V2表示的变动是由支承辊20的轴向抖动、支承辊20的真圆度不是0等导致间隙量G周期性地变化引起的，难以通过现有技术来抑制。本实施方式抑制由该支承辊20引起的变动V2。
这里，从模具涂覆部10排出的电极浆料70的量是一定的。因此，如图3的(a)和(b)所示，在单位面积量较多的部分70a，所涂覆的电极浆料70的厚度较大，而电极浆料70的宽度较窄。相反，如图3(a)和(c)所示，在单位面积量较小的部分70b，所涂覆的电极浆料70的厚度较小，而电极浆料70的宽度较宽。此外，图3是为了便于参照而示意性地描绘的，为了容易理解宽度和厚度的尺寸的变化而夸张地描绘了电极浆料70的涂覆状态。
因此，在本实施方式中，测定所涂覆的电极浆料70的厚度和宽度的至少任意一个的变动。为了把握电极浆料70的单位面积量的变动，仅测定所涂覆的电极浆料70的厚度与宽度的任意一个就足够了。在测定所涂覆的电极浆料70的厚度与宽度两方的情况下，能够容易地探测涂覆异常。
所涂覆的电极浆料70的厚度和宽度的变动能够根据公知方法来测定。在图1所示的例子中，使用测定部30来测定该变动。此外，对于该涂覆的电极浆料70的测定也可以在干燥工序后进行。然而，从排除干燥对电极浆料70的厚度和宽度的影响的观点出发，优选在干燥工序前进行。
这里，根据搬运集电箔60的支承辊20的圆周速度来确定生产速度。因此，在制造现场，准确地把握生产量在生产管理上是最重要的，因此，通常不会在涂覆中使支承辊20的圆周速度变化。然而，在本实施方式中，有意根据上述的变动的测定结果使支承辊20的圆周速度(周速)以上述的变动变小的方式变化来进一步进行涂覆。
只要上述的变动变小，支承辊20的圆周速度如何变化都可以。这里，对于变动而言，如上述那样，图2的V2所示的变动是由支承辊20的轴向抖动、支承辊20的真圆度不是0等引起的变动(即，由支承辊20引起的变动)。因而，上述的变动周期性地发生。
因此，从更高度地抑制单位面积量的变动的观点出发，将时间或涂覆距离作为变量来将所涂覆的电极浆料70的厚度函数化，或者将时间或涂覆距离作为变量来将所涂覆的电极浆料70的宽度函数化，并基于此，将时间或涂覆距离作为变量来将圆周速度函数化。
针对该函数化，对具体例进行说明。图4是表示支承辊的圆周速度一定的情况下的相对于涂覆距离的电极浆料的宽度的曲线图。可知电极浆料的宽度周期性地变动。这里，若将电极浆料的宽度(涂覆宽度)的平均值设为Wave，并将在涂覆距离x的涂覆宽度(或者在时间x的涂覆宽度)设为W(x)，则表示变动比例的函数F(x)能够用下式(1)来表示。
F(x)＝W(x)/Wave···(1)
这里，若在涂覆宽度变小的时机使支承辊20的圆周速度变大，则能够扩大电极浆料的涂覆宽度。相反，若在涂覆宽度变大的时机使支承辊20的圆周速度变小，则能够缩小电极浆料的涂覆宽度。因此，根据涂覆宽度的变动，在涂覆宽度比平均值大那样的电极浆料从模具的排出时机，使支承辊20的圆周速度小于设定值。另一方面，在涂覆宽度比平均值小那样的电极浆料从模具的排出时机，使支承辊20的圆周速度大于设定值。因此，基于下式(2)使支承辊20的圆周速度变化。具体而言，基于下式(2)，根据变动的周期使支承辊20的圆周速度变化。作为参照将该式(2)曲线化后的图如图5所示。
VBR＝VBR_const×{1－(W(x)/Wave－1)}···(2)
VBR：支承辊的圆周速度
VBR_const：支承辊的圆周速度的设定值
W(x)：在涂覆距离x的涂覆宽度(或者在时间x的涂覆宽度)
Wave：涂覆宽度的平均值
作为使支承辊20的圆周速度变化的具体的方法，在图1所示的例子中，通过测定部30测定电极浆料70的涂覆宽度的变动，并将测定部30中的测定结果向控制部40发送。控制部40基于该测定结果求出关于在涂覆距离x的涂覆宽度(或者在时间x的涂覆宽度)的函数W(x)和涂覆宽度的平均值Wave。在函数W(x)的决定中，能够采用公知的函数拟合手法。向控制部40输入上式(2)，控制部40基于上式(2)来进行使支承辊20的圆周速度变化的控制。
本发明人们实际上进行了根据上式(2)进行支承辊的圆周速度的控制的实验。此时的涂覆宽度的变化如图6所示。
在该实验中，首先使支承辊以一定的圆周速度旋转一定时间(即，在图6中到涂覆距离变为53m为止)，并进行了电极浆料的涂覆。此时，测定了所涂覆的电极浆料的宽度(即涂覆宽度)的变动。而且，在经过一定时间后(即，在图6中涂覆距离到达至53m后)，使用该涂覆宽度的变动结果，基于式(2)，进行了使支承辊的圆周速度变化的反馈控制。此外，涂覆宽度的测定继续。
根据图6可知，在进行反馈控制后，涂覆宽度的变动变小。并且，分别测定了涂覆距离为35m～45m的区间的活性物质层的单位面积量、和涂覆距离为65m～75m的区间的活性物质层的单位面积量。35m～45m的区间的单位面积量是6.46mg/cm2±1.8％，65m～75m的区间的单位面积量是6.47mg/cm2±0.6％。作为参考，在图7和图8中分别示出这些区间的单位面积量的测定结果。
这样，根据实际的研究，能够证实以下情况，即，通过测定所涂覆的电极浆料的涂覆宽度，并根据变动的测定结果使支承辊的圆周速度以变动变小的方式变化，从而能够使单位面积量的变动减少。特别是能够证实通过基于式(2)的控制能够将单位面积量的变动大幅度地减少。
另外，如图3所示，可知：不仅电极浆料的涂覆宽度，电极浆料的涂覆厚度也与单位面积量相关，因此即使测定电极浆料的涂覆厚度，也能够将单位面积量的变动大幅度地减少。
具体而言，若使支承辊20的圆周速度变大，则能够使电极浆料70的涂覆厚度变小。相反，若使支承辊20的圆周速度变小，则能够使电极浆料70的涂覆厚度变大。因而，根据涂覆厚度的变动，在涂覆厚度比平均值大那样的电极浆料从模具的排出时机，使支承辊20的圆周速度大于设定值。另一方面，在涂覆厚度比平均值小那样的电极浆料从模具的排出时机，使支承辊20的圆周速度小于设定值。因此，基于下式(3)使支承辊20的圆周速度变化。具体而言，基于下式(3)，根据变动的周期使支承辊20的圆周速度变化。
VBR＝VBR_const×{D(x’)/Dave)}···(3)
VBR：支承辊的圆周速度
VBR_const：支承辊的圆周速度的设定值
D(x’)：涂覆距离x’处的涂覆厚度(或者时间x’时的涂覆厚度)
Dave：涂覆厚度的平均值
通过基于上式(3)来进行支承辊的圆周速度的控制，能够使单位面积量的变动大幅度地减少。
接下来，对干燥工序进行说明。干燥工序能够根据公知方法通过将涂覆于集电箔上的电极浆料干燥来进行。在图1所示的例子中，在电极浆料涂覆装置100组合干燥机50来构建电极制造系统。干燥机50例如是热风干燥机。在图1所示的例子中，通过该干燥机50进行涂覆于集电箔60上的电极浆料70的干燥。然而，用于干燥的装置的种类并不局限于此。
干燥温度和干燥时间根据使用的溶剂的种类适当地决定即可，并不特别地限定。干燥温度例如超过70℃且200℃以下，优选110℃以上150℃以下。干燥时间例如是10秒以上240秒以下，优选30秒以上180秒以下。
通过干燥工序的实施，能够在集电箔60上形成活性物质层并获得电极。也可以将活性物质层的厚度、密度等的调整作为目的而在干燥工序后进行冲压处理活性物质层的工序。该冲压处理能够根据公知方法来进行。并且也可以进行将电极裁断为规定的尺寸的工序。
如以上那样，能够获得高度地抑制了活性物质层的单位面积量的变动的电极。此外，在本实施方式所涉及的电极的制造方法中，也可以组合基于以往公知的间隙量的控制的单位面积量的变动抑制方法来实施。
通过本实施方式所涉及的制造方法获得的电极能够根据公知方法适用作锂离子二次电池等二次电池的电极。因此，本实施方式所涉及的电极的制造方法优选是二次电池(特别是锂离子二次电池)用的电极的制造方法。
此外，在本说明书中“二次电池”是指能够反复充放电的蓄电设备，是包含所谓的蓄电池、以及双电层电容器等蓄电元件的用语。另外，在本说明书中“锂二次电池”是指利用锂离子作为电荷载体并通过正负极间的伴随着锂离子的电荷的移动来实现充放电的二次电池。
使用通过本实施方式所涉及的制造方法获得的电极而制成的二次电池、特别是锂离子二次电池能够利用于各种用途。作为适合的用途，能够举出搭载于电动汽车(EV)、混合动力汽车(HV)、插电式混合动力汽车(PHV)等车辆的驱动用电源、小型电力储藏装置等蓄电池等。
以上，对本发明的具体例详细地进行了说明，但这些只不过是例示，并不限定权利要求书。权利要求书所记载的技术包括对以上例示的具体例进行各种变形、变更后的技术。

Claims (5)

1.一种电极的制造方法，其包含：
将电极浆料从模具涂覆于集电箔上的工序；和
将所涂覆的所述电极浆料干燥的工序，
其中，
通过支承辊搬运所述集电箔，
测定所涂覆的所述电极浆料的厚度与宽度的至少任意一个的变动，
根据所述变动的测定结果，使所述支承辊的圆周速度以所述变动变小的方式变化。
2.根据权利要求1所述的电极的制造方法，其中，
所述变动是由支承辊引起的。
3.根据权利要求1或2所述的电极的制造方法，其中，
使所述支承辊的圆周速度基于下式(2)来变化，
VBR＝VBR_const×{1－(W(x)/Wave－1)}···(2)，
VBR：支承辊的圆周速度，
VBR_const：支承辊的圆周速度的设定值，
W(x)：在涂覆距离x的涂覆宽度、或者在时间x的涂覆宽度，
Wave：涂覆宽度的平均值。
4.根据权利要求1或2所述的电极的制造方法，其中，
使所述支承辊的圆周速度基于下式(3)来变化，
VBR＝VBR_const×{D(x’)/Dave)}···(3)，
VBR：支承辊的圆周速度，
VBR_const：支承辊的圆周速度的设定值，
D(x’)：在涂覆距离x’的涂覆厚度、或者在时间x’的涂覆厚度，
Dave：涂覆厚度的平均值。
5.一种电极浆料涂覆装置，其中，
所述电极浆料涂覆装置具备：
模具涂覆部，构成为向集电箔涂覆电极浆料；
支承辊，构成为搬运所述集电箔；
测定部，构成为测定所涂覆的电极浆料的厚度与宽度的至少任意一个的变动；以及
控制部，构成为控制支承辊的圆周速度，
所述电极浆料涂覆装置构成为：根据所述变动的测定结果，使所述支承辊的圆周速度以所述变动变小的方式变化。
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